植物同工酶的研究進(jìn)展

植物同工酶的研究進(jìn)展

植物是一個(gè)開放的系統(tǒng)。從力學(xué)的角度來看，它不僅具有輸入和輸出物質(zhì)和能量的功能。植物之所以能維持一定形態(tài)結(jié)構(gòu)并不停地自我更新,就是依靠這種不斷地與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換,這就是植物的新陳代謝植物抗逆性是植物長期適應(yīng)不良環(huán)境而形成的一種生理特性。生物體的特性(或性狀),是由它的代謝所決定的。而代謝又決定于酶的催化反應(yīng)。酶的合成是受基因控制的,而基因的表達(dá)往往又受酶、代謝及其生理功能的調(diào)節(jié)。一個(gè)完整的酶分子,象一臺(tái)完好的機(jī)器一樣,有它獨(dú)特的組成和式樣,通常稱為酶的結(jié)構(gòu)。酶的結(jié)構(gòu)決定著酶的功能,就是說酶的結(jié)構(gòu)決定酶的催化作用,也決定酶活力大小。不同酶的分子在結(jié)構(gòu)上是不同的。因此,它們的功能亦有所不同。生物體內(nèi)有些酶,它們的催化作用是相同的(即做同樣的工),但其結(jié)構(gòu)是不同的,它們反應(yīng)的最適溫度,pH,底物及產(chǎn)物濃度、酶活力的控制以及在細(xì)胞中的分布往往是不一樣的。因此,它們的生理功能也不完全相同,這些酶就叫做同工酶。酶蛋白的多肽鏈的結(jié)構(gòu)是決定于DNA分子上基因的核苷酸排列順序。所以同工酶結(jié)構(gòu)的差異,主要來源于基因的差異(但也有一些同工酶是多肽鏈合成后再經(jīng)過修飾而來的)。因此,分析不同特性的植物同工酶的質(zhì)與量,是能夠作為深入了解這種不同特性的植物在生理——遺傳本質(zhì)上的差異,可把宏觀上的生理——遺傳特性,歸結(jié)到微觀分子水平上來認(rèn)識(shí),即從基因的直接產(chǎn)物來認(rèn)識(shí)基因的存在和表達(dá)。同工酶的研究是50年代從分離哺乳動(dòng)物的乳酸脫氫酶的同工酶而興起的。Markert和Moller(1959)在評(píng)論中,根據(jù)當(dāng)時(shí)在生物體內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的十種同工酶的資料,總結(jié)了初期酶分子結(jié)構(gòu)的多態(tài)性方面的研究眾所周知,溫度條件對(duì)決定植物種類的分布和各氣候帶植物的組成起著重要的作用。因此,研究植物對(duì)溫度因子的適應(yīng)機(jī)理是有很大的理論和實(shí)踐意義的,這個(gè)問題一向?yàn)楦鲊芯空咚P(guān)注。這方面的研究工作反映在許多專著和評(píng)論性文章中Gerloff等McCownRoberts這里必須指出:不是所有的酶系統(tǒng)變化都會(huì)引起抗寒性提高的。例如Hall等Sasaki及其同事Сулейцанов等Мельыцлук等鄭光華我們以不同抗寒力的水稻和黃瓜品種的幼苗為材料,經(jīng)零上低溫處理后,分析了過氧化物酶和酯酶同工酶譜帶及活性的變化。發(fā)現(xiàn)這二種植物有一個(gè)共同的特性,即抗寒力較強(qiáng)的比抗寒力差的品種過氧化物酶同工酶的譜帶較多,一般多出1～3條譜帶,水稻酯酶同工酶的譜帶變化亦表現(xiàn)出類似的結(jié)果。經(jīng)低溫三天處理以后,不同抗寒力的水稻和黃瓜品種過氧化物酶同工酶譜帶均表現(xiàn)出增加,各譜帶的活性明顯增強(qiáng),其中又以抗寒力較強(qiáng)的品種提高得最為明顯。特別有意思的是在低溫作用下抗寒力弱的水稻品種酯酶同工酶譜帶沒有變化,而抗寒力較強(qiáng)的品種譜帶卻增加了2條。DeJongТитовАлехцыа等在研究低溫對(duì)植物氮代謝的酶系統(tǒng)的影響中,發(fā)現(xiàn)玉米在零上低溫作用下,阻滯了吸收的氮素進(jìn)入氨基酸,酰基和蛋白質(zhì)的成分中從上述所引證的這部分資料,我們可看出,植物對(duì)不良溫度的抵抗力水平的變化,是與許多酶系統(tǒng)功能活性的改變有關(guān)的,另一方面,誘導(dǎo)這些酶系統(tǒng)改變的適宜溫度條件也是相當(dāng)重要的。例如,Harris和James(1969)曾發(fā)現(xiàn)蓖麻種子在低溫下,不飽和脂肪酸(如十八碳烯酸)形成增加70年代以來,許多研究者從上述資料來看,雖然多數(shù)研究工作仍停留在現(xiàn)象的描述上,尚沒有很好地把植物抗寒性與遺傳基因,酶系統(tǒng)的多態(tài)性以及代謝改組等有機(jī)地結(jié)合起來進(jìn)行深入探討;但也可以看出,植物對(duì)不良溫度抗性大小的變化,是與許多酶系統(tǒng)功能、活性的改變有關(guān)的?，F(xiàn)已知同工酶是植物細(xì)胞內(nèi)代謝的重要調(diào)節(jié)成分,這就不難想象,在植物對(duì)低溫環(huán)境條件適應(yīng)過程中,以適宜的低溫條件(或配合短光周期、干旱)鍛煉,來誘導(dǎo)酶系統(tǒng)(包括同工酶)的改變,可能是相當(dāng)重要的。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展和植物代謝調(diào)節(jié)知識(shí)的積累,特別是Jacob和Monod(1961)提出的操縱子(operon)學(xué)說得到迅速的發(fā)展和日益完善,使植物生理工作者有可能在分子水平上,從基因和功能的聯(lián)系上,來研究和討論基因(DNA)、酶(蛋白質(zhì))、代謝、生理功能以及與環(huán)境條件之間的相互關(guān)系。植物生理過程可以看作是各個(gè)代謝過程在時(shí)間和空間上高度嚴(yán)密的順序性調(diào)節(jié)控制的結(jié)果。對(duì)代謝的調(diào)節(jié),嚴(yán)格地來說,就是對(duì)參與代謝過程的酶的調(diào)節(jié)。酶的調(diào)節(jié)包括酶的形成和酶的活性兩個(gè)方面的調(diào)節(jié)。酶的形成是屬于基因表達(dá)的問題。既然每種酶系統(tǒng)的各個(gè)同工酶的合成是受基因所控制的,那么每種酶系統(tǒng)各個(gè)同工酶的組成均是遺傳單位——基因功能活性的產(chǎn)物。植物的生理活動(dòng)如生長發(fā)育、細(xì)胞和組織的分化、器官的形成、各個(gè)代謝過程與環(huán)境條件是密切相關(guān)的。因此,可把植物對(duì)不良低溫的適應(yīng)性,看成是為了適應(yīng)溫度條件而誘導(dǎo)植物體內(nèi)相應(yīng)酶系統(tǒng)和代謝過程改組的結(jié)果。因?yàn)槊傅男纬墒鞘芑蛘{(diào)節(jié)控制的。所以,植物的抗寒性也必然是嚴(yán)密地受遺傳學(xué)所控制的。Титов由此可見,在適宜低溫誘導(dǎo)下,引起植物體內(nèi)與溫度有關(guān)的基因功能活性的改組,必然會(huì)發(fā)生這些基因所控制的酶系統(tǒng)以及代謝過程的改變,若這種代謝的改組是協(xié)調(diào)的,植物就能適應(yīng)這種環(huán)境條件的變化而生存。若增加溫度作用強(qiáng)度,引起酶系統(tǒng)某些改組,導(dǎo)致代謝過程不協(xié)調(diào)的變化,則從最初的可逆變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡娴淖兓瘯r(shí),便會(huì)引起個(gè)別細(xì)胞、組織以及整體植物的結(jié)構(gòu)與功能完整性的喪失,最終造成植物傷害甚至死亡。綜上所述,使我們認(rèn)識(shí)到基因和酶這兩個(gè)系統(tǒng)在溫度調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)部系統(tǒng)的機(jī)理上是起著主導(dǎo)作用的。這兩個(gè)系統(tǒng)功能上的多變性的基礎(chǔ)是統(tǒng)一的,即它們的多態(tài)性?？购参飳?duì)不良低溫條件有較強(qiáng)的抗性,是植物在長期的進(jìn)化過程中適應(yīng)低溫條件而形成的。它們對(duì)低溫抗性的能力主要是受遺傳特性上的機(jī)理所控制和決定的。至于短時(shí)間的低溫處理(如鍛煉)所引起的植物抗寒性變化,可能不是由遺傳特性上的機(jī)理決定的,而很可能是在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上的生物化學(xué)變化(基因表達(dá))起決定性的作用。例如,由于劇烈的溫度波動(dòng),使酶的合成和降解發(fā)生了變化,從而引起細(xì)胞中由酶所調(diào)節(jié)的代謝反應(yīng)的變動(dòng),最后導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)特性與功能相應(yīng)的變化。按照上述的見解,關(guān)于調(diào)節(jié)控制與溫度應(yīng)力有關(guān)的植物酶系統(tǒng)和代謝改組基因存在的真實(shí)性有兩種可能:(1)與溫度有關(guān)的酶系統(tǒng)與代謝的改組,在基因上并不一定存在專一的位點(diǎn),而是通過與這些或那些酶(包括同工酶)的合成有關(guān)的結(jié)構(gòu)基因的抑制和去抑制(激活)的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)的。(2)與溫度相關(guān)的酶系統(tǒng)與代謝的改組,是在抗寒性基因直接控制下實(shí)現(xiàn)的。這種與抗寒性有關(guān)的基因的定型(固定),是經(jīng)過長期低溫作用,在進(jìn)